Биореактор – основа любой БГУ, и к его конструкции предъявляются достаточно жёсткие требования. Так, корпус биореактора должен быть достаточно прочен при абсолютной герметичности его стенок. Обязательны хорошая теплоизоляция стенок и их способность надёжно противостоять коррозии. При этом необходимо предусмотреть возможность загрузки и опорожнения реактора, а также доступ к его внутреннему пространству для обслуживания.
К реакторам предъявляют в основном требования:
‒ абсолютной герметичности стенок, препятствующей газообмену;
‒ непроницаемости для жидкостей;
‒ сохранения прочности в статическом состоянии при воздействии собственной силы тяжести и массы загружаемого субстрата;
‒ совершенной теплоизоляции;
‒ коррозионной стойкости;
‒ надёжности загрузки и опорожнения;
‒ доступности внутреннего пространства для обслуживания, то для выбора формы, размеров и конструкции реактора решающую роль играют такие факторы, как:
‒ массовый расход субстрата при заполнении;
‒ заданный выход газа или степень сбраживания субстрата как функция от концентрации сухих веществ, загрузки рабочего пространства, времени цикла сбраживания и интенсивности перемешивания;
‒ применяемая система производства;
‒ уровень механизации.
Эти факторы определяются условиями производства и целями технологического процесса. С точки зрения статической прочности, создания условий для перемещения жидкого субстрата (затрат энергии на перемешивание), отвода осадков и разрушения плавающей корки предпочтительным представляется использование яйцеобразного резервуара.
Формы реакторов весьма разнообразны. Наиболее распространённые типы резервуаров биореакторов показаны на рис. 3.1. C точки зрения создания наиболее благоприятных условий для перемешивания жидкого субстрата, накапливания газа, отвода осадков и разрушения образующейся корки целесообразно использование резервуара, формой напоминающего яйцо (рис. 3.1а). Крупные реакторы такой формы обычно сооружают из бетона, поэтому для них характерна высокая стоимость изготовления, что существенно ограничивает их применение. Зато подсобные реакторы меньших объёмов достаточно несложно выполнить из стеклопластика, то есть из полиэфирной смолы, армированной стекловолокном, и обходятся они не так уж и дорого.
Рис. 3.1 – Наиболее распространённые типы резервуаров биореактора:
а – в виде яйца, б – цилиндрический с конусными верхней и нижней частями, в – цилиндрический, г – цилиндрический с перегородкой, д – в виде параллелепипеда (с перегородкой), е – цилиндрический (наклонно расположенный), ж – траншея в грунте (с крышкой)
Для цилиндрического резервуара с конусными верхней и нижней частями (рис. 3.1б), как и для яйцеобразного, характерны небольшое пространство для накопления газа, ограниченный объем плавающей корки, а также хороший отвод шлама. Однако в подобных реакторах создаются менее благоприятные условия для перемещения жидкого субстрата. Резервуары большого объёма такой формы, используемые в коммунальных установках для очистки и разложения стоков, как и реакторы в форме яйца, изготовляют из бетона. Однако «цилиндрические» реакторы несколько дешевле. В индивидуальных хозяйствах реакторы вышеуказанной формы, но, естественно, меньшей вместимости, делают из стали или из стеклопластика. Кстати, в реакторах из стеклопластика легче достичь лучших условий перемещения субстрата.
Цилиндрические резервуары (рис. 3.1 в-ж) относительно просты в изготовлении, что объясняется обширным опытом строительства ёмкостей для сельскохозяйственных целей (стальные, бетонные, стеклопластиковые цистерны-бункера для силоса и других кормов). Однако по сравнению с резервуарами предыдущих форм в цилиндрическом резервуаре невозможно организовать достаточно хорошие условия для перемещения субстрата, при этом приходится считаться с более высокими затратами на удаление осадка и разрушение плавающей корки, что связано с увеличением расхода энергии на перемешивание массы.
Если резервуар цилиндрической формы разделить поперечной вертикальной перегородкой на две камеры, то можно организовать систему получения биогаза с поочерёдным использованием камер резервуара. Двухкамерная биогазовая установка проточного типа показана на рис. 3.2.
Строительство резервуара с перегородкой обойдётся дешевле, чем сооружение двух отдельных резервуаров. Кроме того, что при такой компоновке уменьшается значение теплоизоляции наружных стенок резервуара, а в перегородку, выполняемую из достаточно теплопроводного материала, не очень сложно встроить какое-либо нагревательное устройство, что придаёт установке дополнительные конструктивные выгоды.
В простых, большей частью небольших, биогазовых установках, сооружаемых собственными силами, обычно бродильная камера имеет форму параллелепипеда (бассейн или яма с крышкой).
Рис. 3.2 – Двухкамерная биогазовая установка проточного типа:
1 – насос, 2 – приёмная камера, 3 – бродильная камера, 4 – перемешивающее устройство, 5 – нагреватель, 6 – камера дображивания,
7 – сборник сбреженной массы, 8 – шнек
Для повышения эффективности такой реактор перегораживают вертикальной стенкой, создавая главную бродильную камеру и камеру для окончательного сбраживания и осаждения шлама. Правда, установки подобного типа не позволяют достичь высокой степени разложения субстрата, так как в них практически невозможно обеспечить ни равномерное перемешивание массы, ни управление загрузкой рабочего объёма камеры, ни соблюдение времени пребывания массы в реакторе, что необходимо для получения максимального количества газа. Да и разрушение плавающей корки и осадка связано здесь с большими затратами.
В горизонтально расположенном резервуаре субстрат перемешивается в продольном направлении. Здесь для небольших установок пригодны цилиндрические реакторы из стали или стеклопластика. Горизонтальные резервуары значительной вместимости имеют форму параллелепипеда, и выполняют их из бетона. Наклонное расположение таких резервуаров облегчает отекание шлама к выгрузочному отверстию. Такая конструкция удобна для размещения простейшего перемешивающего механизма.
Все большее распространение получают траншейные БГУ. В установке предусмотрены механическое перемешивание субстрата и грейфер для погрузки сбреженного навоза.
Траншейная биогазовая установка (1 тип) приведена на рис. 3.3.
Рис. 3.3 – Траншейная биогазовая установка (1 тип):
1 – помещение для животных, 2 – биореактор, 3 – мешалка, 4 – грейфер,
5 – хранилище для сбреженного навоза, 6 – газгольдер
На основе резервуара в форме параллелепипеда с перегородкой разработана и надёжно действует двухкамерная БГУ проточного типа, где субстрат направляется сначала в одну часть резервуара (бродильную камеру), а затем самотеком поступает в другую часть (камеру дображивания). Для повышения эффективности работы такая установка снабжена перемешивающим устройством в бродильной камере, нагревателем, шнеком для удаления крупных включений в осадке (рис. 3.4).
Рис.3.4 – Траншейная биогазовая установка (2 тип): 1 – эластический сборник, 2 – плиты из пенопласта, 3 – бродильная камера, 4 – нагреватель (бойлер)
Существуют также эластичные реакторы, обычно используемые в странах Юго-Восточной Азии (рис. 3.5).
Рис. 3.5 – Траншейная биогазовая установка (тип 3)
Подобные реакторы (ёмкости) делают из плотной прорезиненной ткани или из синтетической плёнки. Для организации работы таких биореакторов их приходится либо заглублять в грунт, либо помещать внутри достаточно прочного «кругового» ограждения.